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第二章 流体的压力、体积、浓度关系:状态方程式
2-1 试分别用下述方法求出400℃
[解] (1) 根据理想气体状态方程,可求出甲烷气体在理想情况下的摩尔体积为
(2) 用RK方程求摩尔体积
将RK方程稍加变形,可写为
(E1)
其中
从附表1查得甲烷的临界温度和压力分别为=190.6K, =4.60MPa,将它们代入a, b表达式得
以理想气体状态方程求得的为初值,代入式(E1)中迭代求解,第一次迭代得到值为
第二次迭代得为
和已经相差很小,可终止迭代。故用RK方程求得的摩尔体积近似为
(3)用PR方程求摩尔体积
将PR方程稍加变形,可写为
(E2)
式中
从附表1查得甲烷的=0.008。
将与代入上式
用、和求a和b,
以RK方程求得的V值代入式(E2),同时将a和b的值也代入该式的右边,藉此求式(E2)左边的V值,得
再按上法迭代一次,V值仍为,故最后求得甲烷的摩尔体积近似为。
(4)维里截断式求摩尔体积
根据维里截断式(2-7)
(E3)
(E4)
(E5)
(E6)
其中
已知甲烷的偏心因子=0.008,故由式(E4)~(E6)可计算得到
从式(E3)可得
因,故
四种方法计算得到的甲烷气体的摩尔体积分别为、、和。其中后三种方法求得的甲烷的摩尔体积基本相等,且与第一种方法求得的值差异也小,这是由于该物系比较接近理想气体的缘故。
2-2 含有丙烷的0.5的容器具有2.7Mpa的耐压极限。出于安全考虑,规定充进容器的丙烷为127℃,压力不得超过耐压极限的一半。试问可充入容器的丙烷为多少千克?
[解] 从附表1查得丙烷的、和,分别为4.25MPa,369.8K和0.152。则
用普遍化压缩因子关联求该物系的压缩因子Z。根据、值,从附表(7-2),(7-3)插值求得:
,,故
丙烷的分子量为44.1,即丙烷的摩尔质量M为0.00441 k
所以可充进容器的丙烷的质量m为
从计算知,可充9.81 kg的丙烷。本题也可用合适的EOS法和其它的普遍化方法求解。
2-3 根据RK方程、SRK方程和PR方程,导出其常数a、b与临界常数的关系式。
[解] (1)RK方程式,
(E1)
利用临界点时临界等温线拐点的特征,即
(E2)
将式(E1)代入式(E2)得到两个偏导数方程,即
(E3)
(E4)
临界点也符合式(E1),得
(E5)
式(E3)~(E5)三个方程中共有a、b、、和五个常数,由于的实验值误差较大,通常将其消去,用和来表达a和b。解法步骤如下:
令 (临界压缩因子),即 。
同理,令,,和为两个待定常数。将a、b、的表达式代入式(E3)~(E5),且整理得
(E6)
(E7)
(E8)
式(E6)除以式(E7),式(E6)除以式(E8)得
(E9)
(E10)
对式(E8)整理后,得
(E11)
式(E9)减去(E10),得
(E12)
由式(E12)解得
,或
(此解不一定为最小正根),或
(不能为负值,宜摒弃)
再将代入式(E9)或式(E10),得
(E13)
解式(E13),得最小正根为
将和代入式(E11),得,故
(E14)
(E15)
式(E14)和式(E15)即为导出的a、b与临界常数的关系式。
(2) SRK方程
立方型状态方程中的a、b与临界常数间的通用关系式可写为
SRK方程的是与的函数,而RK方程的,两者有所区别。至于与的求算方法对RK和SRK方程一致。因此就可顺利地写出SRK方程中a、b与临界常数间的关系式为
(E16)
(E17)
(3)PR方程
由于PR方程也属于立方型方程,a、b与临界常数间的通用关系式仍然适用,但、的值却与方程的形式有关,需要
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